“利用低溫溶液法，在鈣鈦礦發(fā)光層設(shè)計(jì)上提出了新思路，將鈣鈦礦 LED外量子效率提高到20.7%，較國際同行提升了近一半。”我校海外人才緩沖基地（先進(jìn)材料研究院）黃維院士、王建浦教授研究團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）方面取得的突破性研究成果日前發(fā)表于《自然》雜志。
　　眾所周知，被稱為第四代照明光源或綠色光源的LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。鈣鈦礦是一種不僅能用來發(fā)電，還能用來發(fā)光的熱門明星材料，具有制備成本低、熒光量子效率高、色純度高且顏色可調(diào)等特性。因而近年來興起的鈣鈦礦發(fā)光二極管更是兼具無機(jī)LED和有機(jī)發(fā)光二極管OLED的優(yōu)勢(shì)，具有低能耗、高亮度、大尺寸顯示與照明等特性，在日常生活和生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　探究尋找解救光子逃逸的突破口
　　“目前平面結(jié)構(gòu)的LED，尤其是有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的發(fā)光效率還比較低，原因在于除了約20%-30%的光子能通過折射離開器件外，其他光子都被限制在器件中?！痹擁?xiàng)研究成果的主要完成人、南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)材料研究院常務(wù)副院長(zhǎng)王建浦介紹說，“因此，提高LED的出光效率，是科研工作者一直以來為之努力的方向?！睋?jù)介紹，科學(xué)家們通常采用光提取技術(shù)提高出光率，但該方法需要增加圖案化光柵等特殊結(jié)構(gòu)，成本高、制備工藝復(fù)雜，而且往往還會(huì)造成LED發(fā)光光譜和出光方向改變，從而影響發(fā)光效率。
　　“對(duì)于長(zhǎng)期從事鈣鈦礦LED研究的科學(xué)家們來說，只有平整、覆蓋率高、無明顯孔洞的鈣鈦礦薄膜才是實(shí)現(xiàn)高效率器件的基礎(chǔ)?！痹撗芯控?fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士黃維指出。為了破解這一世界性重大科學(xué)難題，黃維院士、王建浦教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的研究，繼2016年提出鈣鈦礦維度調(diào)控創(chuàng)下鈣鈦礦LED效率紀(jì)錄后，終于于近日提出了利用低溫溶液法的鈣鈦礦發(fā)光層設(shè)計(jì)新思路。
　　氨基酸添加劑引入鈣鈦礦前驅(qū)體溶液筑就光柵
　　“我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈣鈦礦晶粒像一個(gè)個(gè)麻將牌，互不相連且不規(guī)則地分布在襯底表面時(shí)，可以獲得外量子效率達(dá)到20.7%的近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管。”王建浦介紹道。通過與浙江大學(xué)田鶴教授、戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)合作，他們發(fā)現(xiàn)這種鈣鈦礦發(fā)光層是由分散的鈣鈦礦晶粒和嵌入在晶粒之間的一層8納米厚的低折射率有機(jī)絕緣層組成，并且這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步使器件頂電極形成高低起伏的褶皺結(jié)構(gòu)，從而有效提升器件的出光效率。
　　黃維院士進(jìn)一步介紹說，“這種特殊的結(jié)構(gòu)就像OLED中的光柵結(jié)構(gòu)一樣，可以有效提升器件出光效率，但是它僅僅是通過在鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中加入一種氨基酸添加劑自發(fā)形成的，這種添加劑一方面可以和底層襯底結(jié)合形成一層有機(jī)絕緣層，另一方面可以誘導(dǎo)鈣鈦礦結(jié)晶形成低缺陷密度的高質(zhì)量晶體，從而實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光?！?br>　　研究成果為進(jìn)一步推進(jìn)鈣鈦礦LED產(chǎn)業(yè)化提供全新路徑
　　“我們的研究主要有兩大亮點(diǎn)，一是自組裝實(shí)現(xiàn)低缺陷、亞微米結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜；二是鈣鈦發(fā)光二極管外量子效率可達(dá)20.7%，突破了之前獲得的13%外量子效率?！碧峒把芯砍晒?，王建浦說道。通過STEM的電子斷層掃描技術(shù)和EDS元素分析，發(fā)現(xiàn)在8納米厚的有機(jī)層中鑲嵌著自發(fā)形成的亞微米級(jí)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，有效避免了LED由于鈣鈦礦低覆蓋度造成的電流泄露。
　　高達(dá)20.7%的近紅外鈣鈦礦LED，器件輻照度達(dá)到390W·sr-1·m-2，并且在100mA·cm-2的超大電流密度下持續(xù)工作20個(gè)小時(shí)后效率才降低一半，性能遠(yuǎn)超目前熱門的相近發(fā)光波段的OLED，這表明鈣鈦礦LED能夠高效率、高亮度地工作。而且由于制備工藝簡(jiǎn)單，可以輕松制成超大面積的器件，在電視、智能手機(jī)、大尺寸戶外顯示屏、汽車照明、住宅照明等顯示和光源領(lǐng)域有著極其廣闊的應(yīng)用前景。海外人才緩沖基地（先進(jìn)材料研究院）黨委宣傳部